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第5节 内能
一、内能
1、内能：物体内部所有分子热运动的动能和分子势能的总和，叫做物体的内能，俗称热能。
2、物体在任何情况下都有内能：既然物体内部分子永不停息地运动着和分子之间存在着相互作用，那么内能是无条件的存在着。无论是高温的铁水，还是寒冷的冰块。
3、影响物体内能大小的因素：
①温度：在物体的质量，材料、状态相同时，温度越高物体内能越大。
②质量：在物体的温度、材料、状态相同时，物体的质量越大，物体的内能越大。
③材料：在温度、质量和状态相同时，物体的材料不同，物体的内能可能不同。
④存在状态：物体的温度、材料质量相同时，物体存在的状态不同时，物体的内能也可能不同。
4、内能与机械能不同：
机械能是宏观的，是物体作为一个整体运动所具有的能量，它的大小与机械运动有关；
内能是微观的，是物体内部所有分子做无规则运动的能的总和。内能大小与分子做无规则运动快慢及分子作用有关。这种无规则运动是分子在物体内的运动，而不是物体的整体运动。
例1、关于内能的概念，下列说法中正确的是(　　)
A．炽热的铁水具有内能，冰冷的冰块不具有内能
B．在空气中飞行的铅球具有动能，不具有内能
C．一切物体都具有内能，但不一定具有机械能
D．温度低的物体具有的内能少，温度高的物体具有的内能多
例2、关于温度、热量、内能，说法正确的是（　　）
A．相互接触的两个物体，热量总是从内能多的物体传向内能少的物体
B．物体吸收了热量，它的温度一定升高
C．质量相同时，温度升高较多的物体吸收的热量一定多
D．物体内能减小时，不一定是物体放出了热量
例3、将冰块放在泡沫箱中可制成简易“冰箱”，把一瓶饮料放入“冰箱”后，冰块和饮料的温度随时间变化的曲线如图所示，在两物体温度达到相同之前，下列说法正确的是（　　）
303085527940A．甲是冰块
B．乙吸收热量
C．甲内能增加
D．乙内能减少
例4、下列是关于水蒸发致冷现象的解释，
①水分子运动速度有大有小；
②剩余的水内能减少，温度降低；
③剩余的水分子运动速度相对较小；
④速度大的水分子动能大，更易摆脱周围分子的“束缚”，跑到空气中。
此解释合理的顺序是（ ?? ）
A.?①④③②???????????????????????????B.?②③①④???????????????????????????C.?③①④②???????????????????????????D.?④③②①
二、物体内能的改变
1、内能改变的外部表现：
物体温度升高（降低）——物体内能增大（减小）。
物体存在状态改变（熔化、汽化、升华）——内能改变。
反过来，不能说内能改变必然导致温度变化。（因为内能的变化有多种因素决定）
2、改变内能的方法：做功和热传递。
A、做功改变物体的内能：
①做功可以改变内能：对物体做功物体内能会增加；物体对外做功物体内能会减少。
②做功改变内能的实质是内能和其他形式的能的相互转化。
③如果仅通过做功改变内能，可以用做功多少度量内能的改变大小。（Ｗ＝△Ｅ）
④解释事例：
false
压缩气体：现象：看到棉花燃烧起来了。原因：这是因为活塞压缩空气做功，使空气内能增加，温度升高，达到乙醚着火点，乙醚燃烧，放出热量，从而达到棉花着火点使棉花燃烧。
木塞实验：现象：塞子向上跳起，瓶内出现白雾。原因：该过程中，打气筒的机械能转化为瓶内气体的内能瓶内气体的内能增加。当塞子跳出时，瓶内气体的内能转化为塞子的机械能，此时瓶内气体的内能减小温度降低导致酒精气体液化，形成所观察到的现象。
钻木取火：使木头相互摩擦，人对木头做功，使它的内能增加，温度升高，达到木头的着火点而燃烧。
B、热传递可以改变物体的内能。
①热传递是热量从高温物体向低温物体或从同一物体的高温部分向低温部分传递的现象。
②热传递的条件是有温度差，传递方式是：传导、对流和辐射。热传递传递的是内能（热量），而不是温度。
③热传递过程中，物体吸热，温度升高，内能增加；放热，温度降低，内能减少。
④热传递过程中，传递的能量的多少叫热量，热量的单位是焦耳。热传递的实质是内能的转移。
C、做功和热传递改变内能的区别：由于它们改变内能上产生的效果相同，所以说做功和热传递改变物体内能上是等效的。但做功和热传递改变内能的实质不同，前者能的形式发生了变化，后者能的形式不变。
D、温度、热量、内能 区别：
△温度：表示物体的冷热程度。
温度升高，内能增加，不一定吸热。如：钻木取火，摩擦生热。
△热量：是一个过程量。
吸收热量：不一定升温。如：晶体熔化，水沸腾。
内能不一定增加。如：吸收的热量全都对外做功，内能可能不变。
热量是过程量，发生吸、放热才讲热量。
△内能：是一个状态量
内能增加：不一定升温。如：晶体熔化，水沸腾。
不一定吸热。如：钻木取火，摩擦生热
例1、下列事例中，改变物体内能的途径与其他三项不同的是（ ??? ）
A.??B.?C.?D.?
例2、下列现象中，利用做功改变物体内能的是________，其余是通过________方式改变物体内能的。
①冬天，人们用双手反复摩擦取暖。 ②在古代，人们钻木取火。
③冬天，人们用嘴对着双手“呵气”取暖。④把烧红的铁块放到冷水中，冷水变热。
⑤晒太阳时会觉得很热。 ⑥用锤子反复打击一块铁片，它的温度会升高。
⑦多次弯折一根铁丝，弯折处会发烫。
例3、一个物体的内能增加，则（　　）
A．物体一定发生了热传递，本身温度升高 B．物体一定对外做功，本身温度升高
C．一定有外力对物体做功，本身温度升高 D．物体可能克服摩擦做功，本身温度升高
例4、下面是用气球做的两个小实验，试回答相关问题。
(1)如图甲，松开气球的口子，快速放气后会感到气球变凉，这是因为气体____________导致内能减小。
(2)如图乙，松开气球的口子，气球向后喷出气体的同时，气球会沿着绳子快速向前飞去，这说明_________________。
例5、夏季，在高速公路服务区内，一些重型汽车停在有水的坑里，这是因为汽车在高速行驶过程中，通过 方式增加轮胎的内能，使轮胎的温度 ；轮胎停在水中，通过 方式减少内能，使轮胎的温度温度 ，以保行车安全.
三、热量
1、比热容
⑴ 定义：单位质量的某种物质温度升高（降低）1℃时吸收（放出）的热量。
⑵ 物理意义：表示物体吸热或放热的本领的物理量。
⑶比热容是物质的一种特性，大小与物体的种类、状态有关，与质量、体积、温度、密度、吸热放热、形状等无关。
⑷水的比热容为4.2×103J/(kg·℃) 表示：1kg的水温度升高（降低）1℃吸收（放出）的热量为4.2×103J。
⑸水常调节气温、取暖、作冷却剂、散热，是因为水的比热容大。
2、计算公式：Ｑ吸＝cm（t－t0），Ｑ放＝cm（t0－t）
3、热平衡方程：不计热损失 Ｑ吸＝Ｑ放
例1、对于同一物态的某种物质,根据c= 得知（?? ）
A.?比热跟热量成正比???????????????????????
B.?比热跟质量成反比
C.?比热跟温度变化成反比???????????????
D.?吸收或放出的热量跟质量与温度变化的乘积之比是个恒量
例2、甲、乙两个相同的杯子中盛有质量和初温都相同的水，另有A、B两个金属球，其质量和初温也都相同，且都比水的温度高。现将A、B两球分别浸没在甲、乙两杯水中，热平衡后，甲杯水温升高了15 ℃，乙杯水温升高了8 ℃(不计热损耗)。则(　　)
A．A球比热容大于B球比热容
B．A球比热容小于B球比热容
C．A球放出的热量等于B球放出的热量
D．A球放出的热量小于B球放出的热量
5219065102870例3、科学上通常用“功”和“热量”来量度物体能量的变化。
（1）在“使用动滑轮”活动中，小科利用如图所示装置，用竖直向上的大小为10N的拉力F使物体A匀速提升了0.1m。如果该装置的机械效率为70%，则这一过程中，克服物体A的重力所做的功为________J，这个值也是物体A增加的机械能。
（2）把质量为2kg，温度为25℃的水加热到100C，至少需要完全燃烧________g的酒精。上述过程中，水的内能增加是通过________(填“做功”或“热传递”)的途径实现的。【已知:水的比热容为4.2×103J/(kg℃)，酒精的热值为3.0×107J/kg】
例4、如图所示，在比较酒精和水的比热容大小的实验中，用图甲装置对相同质量的酒精和水进行加热，得到图乙的温度随时间变化的图像。下列说法正确的是(　　)
A． 用同一盏酒精灯对两个试管同时加热是为了使酒精和水吸收相同的热量
B．质量相同的不同物质，加热相同时间，吸收热量不同
C．从图像可知水的比热容比酒精的小
D．从图像可知质量相同的不同种物质升高相同的温度，吸收的热量相同
例5、当今太阳能热水器已经在广安城乡用得非常普遍了，如图所示。已知某太阳能热水器在冬季有效日照时段里，能将8 ℃、100 L水加热到38 ℃。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)，水的密度为1.0×103 kg/m3]
(1)热水器中水的质量是多少？
(2)在此过程中，水吸收了多少热量？
(3)若此期间太阳辐射到热水器的热量为4.2×107 J，则该热水器的效率是多少？
四、热机
1、热机的定义：利用内能来做功的机器。
2、热机的能量转换：内能转化为机械能。
3、热机的种类：蒸汽机、内燃机（汽油机和柴油机）、汽轮机、喷气发动机等
4、四冲程内燃机包括四个冲程：吸气冲程、压缩冲程、做功冲程、排气冲程。活塞从气缸的一端运动到气缸的另一端的过程，叫做一个冲程。热机完成一个工作循环，要经过4个冲程，燃气对外做功1次，活塞往返2次，飞轮转动2周。内燃机的工作过程：
吸气冲程： 进气门打开，排气门关闭。活塞由上端向下端运动，汽油和空气组成的燃料混合物从进气门吸入气缸。
压缩冲程：进气门和排气门都关闭，活塞向上运动，燃料混合物被压缩，压强增大，温度升高。
做功冲程：在压缩冲程末尾，火花塞产生电火花，使燃料猛烈燃烧，产生高温高压的燃气，推动活塞向下运动，并通过连杆带动曲轴转动。
排气冲程：进气门关闭，排气门打开，活塞向上运动，把废气排出气缸。
辨别冲程：注意观察气门、活塞运动方向、曲轴位置
在这四个阶段，吸气冲程、压缩冲程和排气冲程是依靠飞轮的惯性来完成的，而做功冲程是内燃机中唯一对外做功的冲程，是由内能转化为机械能。另外压缩冲程将机械能转化为内能。
冲程
进气门
排气门
活塞运动方向
能量转化
吸气
打开
关闭
向下
压缩
关闭
关闭
向上
机械能转化为内能
做功
关闭
关闭
向下
内能转化为机械能
排气
关闭
打开
向上
例1、下列四冲程汽油机的一个工作循环示意图中，属于做功冲程的是 （ ）
例2、下列流程图是用来说明单缸四冲程汽油机的一个工作循环及涉及的主要能量转化情况。关于对图中①②③④的补充正确的是(　　)
A． ①做功冲程 ②内能转化为机械能 ③压缩冲程 ④机械能转化为内能
B．①压缩冲程 ②内能转化为机械能 ③做功冲程 ④机械能转化为内能
C．①压缩冲程 ②机械能转化为内能 ③做功冲程 ④内能转化为机械能
D．①做功冲程 ②机械能转化为内能 ③压缩冲程 ④内能转化为机械能
例3、世界上很多发明都是受到生活现象的启发而萌生的创意，比如：蒸汽机和汽油机，它们工作时，能的转化过程是______________。图中________是汽油机的工作原理图。
例4、随着我国人民生活水平的提高，家庭小汽车作为一种普通的交通工具已经进入千家万户。
(1)汽车发动机一般是汽油机，在 冲程把燃料燃烧产生的内能转化为机械能；若飞轮转速是1 200 r/min，则该汽油机每秒做功 次。
(2)阅读了某品牌汽车发动机的说明书后，将内燃机的能量流向制成如图所示的图表，已知图表中的各项数据为：废气内能30%，散热损失25%，机械损失10%。根据给出的信息，该内燃机的效率为 %。
(3)近几年全球汽车保有量在迅速增长，网上查知截至2014年，全球处于使用状态的汽车数量已突破12亿辆。每辆汽车每年平均耗油1.8 t，汽车内燃机的效率平均值取30%。如果能把内燃机效率提高到第(2)问中汽车发动机的效率，请计算全球每年可以节约 t燃油。
例5、
五、热机的效率
1、热值：
①定义：1kg某种燃料完全燃烧放出的热量，叫做这种燃料的热值。
②单位：固体燃料的热值的单位是焦耳每千克（J/kg）、气体燃料的热值的单位是焦耳每立方米（J/m3）。
③热值是燃料本身的一种特性，只与燃料的种类有关，与燃料的形态、质量、体积无关。
④公式：Q放＝qm、Q放＝qV
Q——放出的热量——焦耳（J）；q——热值——焦耳每千克（J/kg）；m——燃料质量——千克（kg）。
Q——放出的热量——焦耳（J）；q——热值——焦耳每立方米（J/m3）；V——燃料体积——立方米（m3）。
煤气的热值3.9×107J/m3，物理意义为：体积为1m3的煤气完全燃烧放出的热量为3.9×107J。
焦炭的热值3.0×107J/kg，物理意义为：质量为1 kg 的焦炭完全燃烧放出的热量为3.0×107J。
⑤火箭常用液态氢做燃料，是因为：① 液态氢的热值大；② 液态氢的体积小，便于储存和运输。
用来做有用功的那部分能量与燃料完全燃烧放出的能量之比，叫做热机的效率。
公式：η=false×100%= false×100%(热机)
或η=false ×100%= false×100%（炉子效率或燃料利用率）
3、提高热机效率的途径：
① 使燃料充分燃烧，尽量减小各种热量损失；
② 机件间保持良好的润滑，减小摩擦；
③ 在热机的各种能量损失中，废气带走的能量最多，设法利用废气的能量，是提高燃料利用率的重要措施。
例1、下列关于热值的说法正确的是(　　)
A．物质的热值跟物质燃烧放出的热量有关
B．物质的热值跟物质的温度有关
C．物质的质量越大，它的热值越大
D．物质的热值是物质本身的一种特性，与质量没有关系
例2、煤油的热值大于酒精的热值，下列说法中正确的是(　　)
A．煤油比酒精含有的热量多
B．燃烧相同质量的煤油和酒精，煤油放出的热量要多些
C．完全燃烧相同质量的煤油和酒精，利用煤油刚好能烧开一壶水，那么利用酒精则不能烧开这壶水(效率相同条件下)
D．通风条件越好，供氧越充足，两种燃料的热值就越大
例3、体积为0.28 m3、热值为3.9×107 J/m3 的煤气完全燃烧放出的热量为 J；若这些热量的50%被温度为20 ℃、质量为30 kg的水吸收，则水的末温是 ℃。[水的比热容为4.2×103 J/(kg·℃)]
例4、2019年5月6日，聊城首批30辆氢燃料新能源公交车投放使用。氢燃料具有清洁无污染、效率高等优点，被认为是21世纪最理想的能源，[c水＝4.2×103J/（kg?℃）；q氢＝1.4×108J/kg）求：
（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出的热量；
（2）若这些热量全部被质量为200kg，温度为15℃的水吸收，则水升高的温度；
（3）某氢能源公交车以140kW的恒定功率做匀速行驶，如果0.3kg的氢燃料完全燃烧获得热量的焦耳数和公交车所做的功相等，则这些热量能让该公交车匀速行驶多长时间。
参考答案：
1、例1、C例2、D例3、B例4、A
2、例1、A
例2、①②⑥⑦　热传递
例3、D
例4、(1)对外做功　(2)力的作用是相互的
例5、做功；升高 ；热传递；降低
3、例1、D例2、A例3、（1）1.4（2）21；热传递 例4、A
例5、(1)太阳能热水器中水的体积 V＝100 L＝100 dm3＝0.1 m3，
由ρ＝可得，水的质量 m＝ρV＝1.0×103 kg/m3×0.1 m3＝100 kg。
(2)在此过程中，水吸收的热量：
Q吸＝cm(t－t0)
＝4.2×103 J/(kg?℃)×100 kg×(38 ℃－8 ℃)
＝1.26×107 J。
(3)该热水器的效率：
η＝×100%＝×100%＝30%。
4、例1、C例2、C例3、内能转化为机械能　乙例4、（1）做功；10（2）35（3）3.1×108
5、例1、D例2、C例3、1.092×107；63.3
例4、（1）质量为0.3kg的氢燃料完全燃烧放出4.2×107J热量；
（2）若这些热量全部被质量为200kg，温度为15℃的水吸收，则水升高50℃；
（3）这些热量能让该公交车匀速行驶300s。

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